投影栅线法形貌测量中相位恢复与相位展开算法研究

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1、山东人学顾。l：学位论文与三角法相比，两者的不同点在于：其一，从式(卜1)可以看出距离是被测量△f的线性函数，而重要的定标因子v并不受测量系统的控制，也就是说该方法不易改变精度以适应不同的测量范围。另一个不同点在于，三角法通过提高成像光点位置的空间分辨率来获得距离的测量精度，而TOF法则是以对信号检测的时间分别精度来提高距离测量精度。由于对定时系统的时间分辨率要求很高，这给技术上的实现带来了很大困难，所以～般只用于大范围绝对距离测量。△t(A)TOF系统原理；(B)距离z与缸的线性关系图1．1飞行时问法2

2、)三角法三角法以传统的三维测量为基础，由于三维面形对结构照明光束产生的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了成像光点在检测器阵列上的位置，通过对成像光点的位置变化的确定和系统光路的几何参数，计算出距离。三角法的原理如图1．2所示。事实上，大多数三维面形测量仪器都源于三角测量原理，只不过在不同的测量技术中采用不同的方式来从观察光场中提取三角计算所需要的几何参数。光学投影式三维轮廓术就是属于主动式的三角法测量轮廓求。光学三维轮廓测量方法种类很多，包括普通光学干涉法、全息干涉法、散斑干涉法、光学探针显微镜、激

3、光逐点扫描法、光切法、莫尔等高法、傅氏变换法、相移法等。在以上方法中，逐点扫描法及其后面的几种都是以光学投影为基础的。光学投影式测量系统是宏观乃至细观光学形貌测量中最有发展前途的一种方法，它可以大致分为两类：直接三角法和相位测量法。本文将主要讨论投影栅线相移轮廓测量技术。4)㈩山东人学硕’f：学位论文A直接三角法直接三角法轮廓测量技术包括激光逐点扫描法、光切法和二元编码图样投影法。这些方法都是以纯粹的三角测量原理为基础，通过出射点、投影点和成像点三者之间的几何成像关系确定物体各点高度，其基本原理如图1．2

4、所示。因此其测量关键在于确定三者之间的对应关系。逐点法用一个光点扫描物体，虽然简单可靠，但测量耗时；光切法采用一维线形图样扫描物体。速度比前者有很大提X像三角图1．2三角法测量原理高，确定测量点也比较容易，故应用比较广，国际上早有商品出售；二元编码图像投影法采用时间或空间编码的二维光学图样投影(一般用液晶屏作为投影装置)，能够大大提高测量速度，是一种很有前途的三角测量法。这几种方法的优点是信号的处理简单可靠，无需复杂的条纹分析就能唯一确定各个测量点的绝对高度信息，自动分辨物体凸凹，即使物体上的物理间断点(

5、台阶、孔)使图样不连续也不会影响测量。它们共同的缺点是精度不高，不能实现全场测量。B相位测量法相位测量法是以测量投影到物体上的变形光栅像的相位为基础，通过相位与高度的映射得到被测物体的三维轮廓，投影栅相位法不进行光学干涉，而直接利用被调制栅线的相位信息来进行三维信息解调。这种方法避免了提取中心线、确定莫尔条纹级数等处理过程，处理易于实现自动化，而且具有较高的精度和灵敏度。投影栅相位法提供的是密集网格点的数据，数据量的多少取决于CCD摄像机的像元个数和图像采集卡的分辨率，通常情况下数据量是相当大，虽然在相位

6、一高度的转换过程中也使用了三角法原理，但其核心技术还是相位的测量，与直接三角法有一定的区别。与直接三角法相比，相位测量法能满足全场的测量，测量5山东人学硕．Ij学位论文精度比较高，测量速度比较快，但是这种方法对物体上的物理断点、阴影等使图样不连续的缺陷部位会有较大的误差，往往要通过特定的算法识别并绕过缺陷才能完整而准确的恢复物体的三维轮廓。目前常见的几种相位测量轮廓术包括莫尔法轮廓术、空域相位轮廓术、时域相位轮廓术、傅立叶变换轮廓术。1．3投影栅线相位轮廓术的研究热点随着计算机、光学元器件的价格降低和性能

7、提高，相位测量轮廓术已在实用性和商业性的应用中取得显著的进展，但仍有不少问题需要解决或改进。概括起来，主要有以下几个方面：1．3．1实时三维测量由于三维传感原理、硬件性能和三维传感算法的制约，当前的三维传感技术一般很难做到实时测量。在工业应用领域中，实时三维测量是降低产品成本和提高产品质量的一个关键，对于数字化加工和设计、快速流水线和集成产品的设计和制造等有着重要的影响。实时三维测量的关键在于能够满足工业在线检测的计算速度，这需要从硬件的性能和算法的设计上寻求突破。1．3．2阴影问题基于三角测量原理的各种

8、光学三维传感在原理上要求照明光路和观察光路之间存在一定的夹角，通过测量变形条纹的相位获取三维信息，这种原理导致阴影、遮挡等问题，不能测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的复杂三维物体(如有深孔的物体)，虽然增加夹角可以提高精度，但同时导致更多的阴影和遮挡，使局部区域的可靠性下降．需要在测量可靠性和测量精度之间综合考虑系统结构。1．3．3投影方式在光学投影测量系统中出现最早，最简单常用的投影方式就是用幻灯投影仪投影光栅。这种方法仪